魏忠彩 李洪文 蘇國粱 孫傳祝 劉文政 李學強

(1.中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083； 2.山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院， 淄博 255091；3.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術研究中心， 德州 253600； 4.山東理工大學機械工程學院， 淄博 255091；5.山東希成農(nóng)業(yè)機械科技有限公司， 德州 253600)

0 引言

馬鈴薯機械化收獲過程涉及到土壤-機器-作物之間的相互作用[1-3]，兼顧高效分離和防損減損的控制措施，一般采用凹凸式桿條分離、振動與波浪分離、擺抖分離、多段分離、桿條加裝橡膠保護套等分離方式[4-7]，以及側(cè)向鋪放和緩沖篩鋪放等鋪放方式[8-10]，分離方式及鋪放方式的選擇均影響著薯土混合物的運動軌跡、分離效果及收獲品質(zhì)[11]。桿條加裝橡膠保護套方式可減小薯塊與桿條的碰撞力，增大摩擦因數(shù)，使薯塊處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，有效避免不必要的“翻滾”和“回流”；多段分離在不同分離階段采取適宜的分離方式，有利于降低破皮率和傷薯率[5]。對于桿條式分離篩，改善分離效率的有效措施是施加振動，適當?shù)恼駝涌墒故硗粱旌衔锼缮?、均勻地分布在篩面上，頻繁承受著沖擊、摩擦和慣性力作用，以便于土塊破碎和分散分離[12-13]。在振動分離階段，控制不同收獲工況下的薯土比例，避免薯-薯、薯-土、薯-石、薯-桿條之間過大的碰撞沖擊，是實現(xiàn)減損防損的關鍵措施[14-15]。

收獲過程中薯塊的損傷形式一般包括跌落損傷、振動損傷和擠壓損傷等[12]。馬鈴薯收獲機的破皮率和傷薯率等性能評價指標主要與土壤類型、種植品種、跌落高度、碰撞接觸物體類型、碰撞次數(shù)、碰撞加速度峰值、碰撞的速度變化值以及碰撞時薯塊的表面特性有關[16-18]，同時也受到挖掘土量、分離篩運行速度、振動參數(shù)以及秧蔓的處理效果等多方面因素影響[19-21]。交錯纏繞呈團狀的秧蔓等在分離過程中易纏繞于桿條而難以分離，且易導致機具壅堵，分離負荷增大，作業(yè)順暢性欠佳；貼覆于地表生長的秧蔓影響著機械化殺秧效果，從而制約后續(xù)的薯、土、雜分離效果[22]；而殺秧時間長、留茬長度小、枯萎變軟、呈長條狀的秧蔓較易透篩。鋪放環(huán)節(jié)跌落過程中，向后拋落的薯塊跌落在已經(jīng)平鋪于地表的薯塊上，較大的沖擊能量使得薯塊較易產(chǎn)生切線擦傷及內(nèi)部損傷等，若在同等跌落高度下直接跌落于松軟的地表，則傷薯破皮現(xiàn)象明顯減輕[23-24]。

為提高分離效率和明薯率，一般采用延長分離行程、增大分離篩傾斜角度等措施，現(xiàn)有馬鈴薯分段收獲機分離篩末端鋪放環(huán)節(jié)薯塊的跌落高度過大，且完成薯土分離后的薯塊未經(jīng)減速而直接從分離篩末端拋落，這是導致整個收獲環(huán)節(jié)傷薯率和破皮率較高的主要原因。鑒于上述問題，結(jié)合前期研究成果及薯農(nóng)的收獲作業(yè)減損防損需求[25]，基于緩沖減速、減損的思路，設計一種低位鋪放雙重緩沖馬鈴薯收獲機，在闡述機具結(jié)構特點及工作原理的基礎上，通過建立薯塊運動模型對薯塊在輸送分離過程中的碰撞特性進行分析，確定關鍵部件的結(jié)構參數(shù)，并進行田間試驗。

1 總體結(jié)構與工作原理

1.1 結(jié)構組成及薯土分離技術特點

1.1.1總體結(jié)構

結(jié)合國內(nèi)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)較為普遍的壟作種植模式和減損防損現(xiàn)實需求，低位鋪放雙重緩沖馬鈴薯收獲機為雙壟作業(yè)，主要由挖掘裝置、仿形松土限深裝置、切土切蔓裝置、2級振動調(diào)整裝置、雙重緩沖簾、平土壓實裝置以及低位鋪放輸送分離裝置等組成(如圖1所示)。該收獲機通過懸掛裝置掛接于拖拉機后部，可實現(xiàn)切土切蔓、松土限深、2級振動分離、壟行壓實整平、雙重緩沖減速以及低位鋪放輸送分離等作業(yè)，其作業(yè)幅寬為1 650 mm。

圖1 馬鈴薯收獲機結(jié)構簡圖Fig.1 Structural diagrams of potato harvester1.懸掛裝置 2.固定座 3.仿形松土限深裝置 4.切土切蔓裝置 5.挖掘裝置 6.分離篩 7.平土壓實裝置 8.變速箱 9.地輪 10.緩沖簾Ⅰ 11.緩沖簾Ⅱ 12.集薯聚攏裝置

挖掘裝置主要由挖掘鏟、鏟架、鏟翼和入土角度調(diào)整裝置組成[5]，收獲過程中，挖掘鏟可將馬鈴薯連同土壤整幅寬挖起，并輸送至分離篩始端，鏟翼可以防止石塊等硬物損壞分離篩。仿形松土限深裝置用來控制和調(diào)節(jié)挖掘鏟的挖掘深度，并且使薯土疏松，利于后續(xù)薯土分離[5]。切土切蔓裝置的圓盤刀無動力驅(qū)動，靠摩擦力運轉(zhuǎn)，可限制挖掘?qū)挾?，主要用來將沿薯壟兩?cè)的地表及雜草切開，以利于挖掘裝置的挖掘，同時防止兩側(cè)的莖蔓、雜草等纏繞堵塞。分離篩由橡膠齒驅(qū)動軸驅(qū)動，橡膠齒驅(qū)動輪與分離篩桿條嚙合良好，且耐磨損、可靠性高。振動裝置可給分離篩施加一定振幅和頻率的抖動，以提高薯塊與土壤的分離能力。平土壓實裝置的刮土板將挖掘后的地表刮平，隨后鎮(zhèn)壓輪將土壤壓實，以便完成薯、土、秧分離后的薯塊低位鋪放于收獲機后方，徹底杜絕薯塊被“二次”掩埋現(xiàn)象的發(fā)生，有效提高了明薯率。

薯土分離裝置的末端采用低位鋪放和雙重緩沖技術(如圖2、3所示)，其低位布置方式大大降低了馬鈴薯的跌落高度，減少跌落過程中的碰撞作用力；雙重緩沖采用橡膠板構成的緩沖簾鉛垂向下布置在機具兩側(cè)壁上(如圖2a所示)，實現(xiàn)薯塊的緩沖降速鋪放，以最大限度降低收獲過程中的傷薯率和破皮率。

圖2 低位鋪放雙重緩沖結(jié)構簡圖Fig.2 Structural diagrams of two-stage buffer conveying and separating device for low position laying1.分離篩 2.緩沖簾Ⅰ 3.緩沖簾Ⅱ 4.擋薯板 5.集薯板 6.固定板 7.固定套筒 8.下調(diào)整板 9.上調(diào)整板 10.回轉(zhuǎn)套筒 11.連接板

分離篩末端兩側(cè)設有集薯聚攏裝置(如圖2b所示)，以將薯塊聚攏鋪放于地表，便于后續(xù)的人工撿拾，且聚攏寬度可調(diào)。集薯聚攏裝置主要由連接板、回轉(zhuǎn)套筒、上下調(diào)整板和集薯板等組成，通過調(diào)整上、下調(diào)整板所處卡槽位置來實現(xiàn)集薯聚攏寬度的調(diào)整，通過改變回轉(zhuǎn)套筒的高低位置可以適當調(diào)整集薯板相對于分離篩篩面之間的距離。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，集薯聚攏寬度在900～1 100 mm之間時，薯塊鋪放分散，可有效減輕薯塊的多次碰撞沖擊。

圖3 低位鋪放雙重緩沖輸送分離裝置原理圖Fig.3 Schematic of two-stage buffer conveying and separating device for low position laying1.換向膠輪 2.一級振動裝置 3.一級支撐膠輪 4.二級振動裝置 5.二級支撐膠輪 6.橡膠齒驅(qū)動軸 Ⅰ 7.支撐滾筒 8.橡膠齒驅(qū)動軸Ⅱ 9.分離篩 10.緩沖簾Ⅰ 11.緩沖簾Ⅱ

馬鈴薯收獲機的動力傳遞路線如圖4所示。與拖拉機動力輸出軸連接的傳動軸將動力傳遞給可雙向傳遞動力的變速箱，變速箱的一條輸出軸經(jīng)鏈傳動傳遞給振動軸Ⅱ，另一條輸出軸上雙鏈輪的一個鏈輪經(jīng)鏈傳動傳遞給振動軸Ⅱ，雙鏈輪的另一鏈輪經(jīng)鏈傳動依次等速傳遞給橡膠齒驅(qū)動軸Ⅰ和橡膠齒驅(qū)動軸Ⅱ。橡膠齒驅(qū)動軸Ⅱ位于橡膠齒驅(qū)動軸Ⅰ的后下方，以最大限度地降低橡膠齒驅(qū)動軸Ⅱ的離地高度，實現(xiàn)分離篩的低位鋪放輸送分離。

圖4 馬鈴薯收獲機動力傳遞路線Fig.4 Power transfer route of potato harvester1.振動軸Ⅰ 2.傳動軸 3.變速箱 4.振動軸Ⅱ 5.橡膠齒驅(qū)動軸Ⅰ 6.橡膠齒驅(qū)動軸Ⅱ

1.1.2薯土分離技術特點

實際收獲作業(yè)過程中，隨著薯土比例的逐漸增大，馬鈴薯在分離篩末端逐漸失去了土壤的緩沖保護作用，其接觸界面由松軟“土壤”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂浴皸U條”，薯-薯、薯-桿條之間的碰撞沖擊導致其切線擦傷較為嚴重。采用振動輸送分離+雙重緩沖減速+低位鋪放輸送分離的薯土雜分離形式，其優(yōu)勢為：

(1)雙重緩沖減速分離：分離篩末端利用雙重緩沖簾的緩沖阻擋作用，減緩了馬鈴薯跌落分離階段的運行速度，從而減輕了跌落沖擊程度，以最大限度地將傷薯率和破皮率控制在適宜范圍內(nèi)。

(2)低位鋪放輸送分離：采用橡膠齒驅(qū)動軸Ⅱ低位布置結(jié)構，在充分利用分離前期較大的分離篩傾角提高分離效果的同時，最大限度地降低馬鈴薯的跌落高度，以進一步提高收獲品質(zhì)。

(3)集薯寬度可調(diào)，分散鋪放：根據(jù)馬鈴薯產(chǎn)量以及收獲后用途的不同，可靈活調(diào)整分離篩末端的集薯聚攏寬度，以實現(xiàn)分散鋪放，減少薯塊碰撞次數(shù)，進一步減輕馬鈴薯之間的碰撞損傷。

(4)平土壓實“定位”鋪放：由于收獲后的地表較為松軟，采用平土壓實裝置對收獲后的地表進行刮平壓實后，可避免因薯塊側(cè)流而導致的碾壓性損傷，在提高明薯率同時更有利于后續(xù)撿拾。

1.2 工作原理及主要技術參數(shù)

田間作業(yè)時，收獲機懸掛于拖拉機后方，呈對稱結(jié)構的雙仿形限深輪對應附著于兩薯壟上方，以松離薯土、利于后續(xù)的薯土分離；切土切蔓裝置把生長、附著在薯壟兩側(cè)的秧蔓和雜草切斷，避免分離環(huán)節(jié)秧蔓纏繞影響機具的可靠性；挖掘裝置將薯壟整體挖掘起來，并輸送至分離篩始端；薯土混合物隨著分離篩向后運行的同時，小于桿條間隙的碎土逐漸透過分離篩篩面，完成薯土分離的薯塊則經(jīng)雙重緩沖減速、低位鋪放以及集薯聚攏裝置的聚攏作用而輸送至經(jīng)平土壓實裝置刮平壓實后的地表。

根據(jù)國內(nèi)北方地區(qū)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的種植農(nóng)藝和壟作特點，低位鋪放雙重緩沖馬鈴薯收獲機的主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 馬鈴薯收獲機主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of potato harvester

2 關鍵部件設計與參數(shù)確定

2.1 低位鋪放雙重緩沖分離裝置

2.1.1結(jié)構設計

低位鋪放雙重緩沖輸送分離裝置主要由分離篩、一級振動裝置、一級支撐膠輪、二級振動裝置、緩沖簾Ⅰ和緩沖簾Ⅱ等組成(如圖3所示)。圖3中A段為振動輸送分離段(如圖5所示)，B段為低位鋪放輸送分離段。將分離篩末端設計成“低位鋪放”形式，同時配有雙重緩沖簾，以盡可能降低跌落高度和減緩跌落階段的薯塊運行線速度，以減輕對薯塊的損傷。

圖5 振動輸送分離段局部結(jié)構圖Fig.5 Local structure diagram of vibration conveying separation stage1.一級振動裝置 2.一級支撐膠輪 3.分離篩

2.1.2低位鋪放運動特征分析

將低位鋪放輸送分離段劃分為一級緩沖段和二級緩沖段，即分離篩位于二級振動裝置與緩沖簾Ⅰ之間時視作一級緩沖段，位于緩沖簾Ⅰ和緩沖簾Ⅱ之間時視作二級緩沖段。緩沖簾由橫向排列的橡膠板組成，單塊橡膠板的力學性能直接影響輸送分離和緩沖減損效果。為便于分析，根據(jù)薯塊與緩沖簾Ⅰ和緩沖簾Ⅱ的相對位置定義為未接觸、剛接觸、頂起和離開4個關鍵狀態(tài)，其運動特征分析如圖6所示。鉛垂布置的單塊橡膠板的約束狀態(tài)視為上端固定、下端自由，且橡膠板下端受到薯土混合物在分離篩帶動作用下產(chǎn)生的斜拋載荷作用。

圖6 低位鋪放段運動特征分析Fig.6 Motion analysis of low position laying stage1.橡膠齒驅(qū)動軸Ⅰ 2.緩沖簾Ⅰ 3.馬鈴薯 4.支撐滾筒 5.橡膠齒驅(qū)動軸Ⅱ 6.緩沖簾Ⅱ

由于緩沖簾Ⅰ后方分離篩的傾斜角度由“平輸送”向“斜向下輸送”狀態(tài)轉(zhuǎn)變，薯群接觸到緩沖簾Ⅰ時，在分離篩帶動作用力下，薯群對緩沖簾Ⅰ施加一定作用力，從而使緩沖簾Ⅰ的下部產(chǎn)生向后的柔性彎曲形變，薯塊從緩沖簾Ⅰ下方通過。薯群通過緩沖簾Ⅰ向后運行至緩沖簾Ⅱ時，翻滾甚至彈跳的薯群迫使緩沖簾Ⅱ也產(chǎn)生向后的柔性形變，確保通過后的薯塊鋪放至地表。在此過程中，薯塊經(jīng)歷了兩次與橡膠板接觸，其運行速度大大降低，因此有效減輕了薯塊直接跌落至分離篩桿條或快速跌落至地表時所造成的切線擦傷或跌落損傷。

2.1.3低位鋪放段相關參數(shù)的確定

馬鈴薯的跌落高度越大，薯塊的碰撞恢復系數(shù)越小，跌落過程勢能轉(zhuǎn)換成的動能越大，薯塊的變形量越大[13]。薯塊的跌落沖擊存在著跌落損傷臨界高度，即僅當?shù)涓叨却笥谄鋼p傷臨界高度時，瞬時高速的跌落沖擊易導致薯塊產(chǎn)生切線擦傷和內(nèi)部損傷等形式的損傷[26]。所以，跌落高度對馬鈴薯收獲機分離裝置的設計尤為關鍵，低位鋪放段跌落過程分析如圖7所示。

圖7 低位鋪放段跌落過程分析Fig.7 Motion analysis of potatoes during dropping process at low position laying stage

由于分離篩在振動輸送分離段具有一定的傾斜角度，故分離篩運行迫使低位鋪放環(huán)節(jié)的薯塊產(chǎn)生斜拋運動，其薯塊運動模型可簡化為平面的拋物線運動，薯塊在一級緩沖段的運動方程為

lsd1=vg1tsd1cosα=ng1πdg1tsd1cosα/60

(1)

(2)

(3)

式中l(wèi)sd1——薯塊一級緩沖段水平方向位移，m

tsd1——薯塊自分離篩至緩沖簾 Ⅱ 跌落用時，s

hsd1——薯塊自分離篩至緩沖簾 Ⅱ 跌落高度，m

vg1——橡膠齒驅(qū)動軸Ⅰ運行線速度，m/s

ng1——橡膠齒驅(qū)動軸Ⅰ轉(zhuǎn)速，r/min

dg1——橡膠齒驅(qū)動軸Ⅰ分度圓直徑，m

α——振動分離段分離篩傾角，(°)

分離篩低位鋪放段的傾角β一定時，薯塊經(jīng)過緩沖簾Ⅱ后由分離篩跌落至地表的運動方程為

lsd2=vg2tsd2sinβ=ng2πdg2tsd2sinβ/60

(4)

(5)

(6)

tanβ=hdg/ldg

(7)

式中l(wèi)sd2——薯塊二級緩沖段水平方向位移，m

tsd2——薯塊自緩沖簾Ⅱ至地表跌落用時，s

hsd2——薯塊自緩沖簾Ⅱ至地表跌落高度，m

vg2——橡膠齒驅(qū)動軸Ⅱ運行線速度，m/s

ng2——橡膠齒驅(qū)動軸Ⅱ轉(zhuǎn)速，r/min

dg2——橡膠齒驅(qū)動軸Ⅱ分度圓直徑，m

hdg——兩橡膠齒驅(qū)動軸之間垂直距離，m

ldg——兩橡膠齒驅(qū)動軸之間水平距離，m

本設計在橡膠齒驅(qū)動軸Ⅰ正上方的最高點布置緩沖簾Ⅰ，旨在減小拋物線行程，有利于“劇烈跳動”向“低幅跳動”過渡，最大限度地減輕馬鈴薯的損傷，達到緩沖減損的目的[27]。另外，緩沖簾Ⅱ的布置位置也至關重要，即緩沖簾Ⅱ靠前則后端的跌落高度過大，反之則薯塊易直接撞擊在桿條上，起不到緩沖保護減損的作用。分析可知，若分離篩的運行速度過慢，薯塊在水平方向上的位移過小，則薯塊在緩沖簾Ⅰ和緩沖簾Ⅱ之間有可能會跌落至分離篩桿條上，這會在一定程度上增加切線擦傷和碰撞傷薯的概率。反之，薯塊在水平方向上的斜拋行程過大，則薯塊由緩沖簾Ⅱ跌落至分離篩后拋出的行程將增大，這會在一定程度上增加薯塊沖擊損傷的概率。

為保證良好的低位鋪放輸送分離和緩沖減損效果，以式(1)～(7)理論計算為基礎，結(jié)合實際的分離篩運行線速度一般在1.2～2.0 m/s之間[14,28]，根據(jù)常見馬鈴薯的三軸尺寸，選擇緩沖簾Ⅰ由10塊厚度為3 mm、長度為500 mm、寬度為165 mm的工業(yè)橡膠板橫向排列，緩沖簾Ⅱ由10塊厚度為3 mm、長度為770 mm、寬度為165 mm的橡膠板橫向排列，且兩緩沖簾之間的縱向間距為290 mm。選取的橡膠齒驅(qū)動軸Ⅰ中心與橡膠齒驅(qū)動軸Ⅱ中心之間的水平距離為425 mm、垂直距離為410 mm，選取低位鋪放段分離篩傾角β為45°。緩沖簾的安裝位置如圖8所示。緩沖簾Ⅰ由前到后的安裝位置依次記作A、B、C、D，其間距為50 mm，其中位置C為分離篩在橡膠齒驅(qū)動軸Ⅰ正上方的最高點，緩沖簾Ⅱ由前到后的安裝位置依次記作E和F，其間距為80 mm，即在雙重緩沖條件下，兩緩沖簾的最小間距為240 mm、最大間距為470 mm。

圖8 緩沖簾的安裝位置示意圖Fig.8 Schematic of installation location of cushions

2.2 仿形松土限深裝置改進與分析

收獲前，薯壟土壤長時間未被擾動而易結(jié)塊，土壤狀態(tài)和挖掘深度均影響后續(xù)薯土分離效率和收獲品質(zhì)[5]。薯壟受壓過大時，薯壟凹陷嚴重，薯塊相互擠壓，易導致薯塊破皮甚至損傷；反之，薯土松離效果不明顯，影響后續(xù)薯土分離效果。因此，要求該裝置能夠根據(jù)收獲工況調(diào)整松土效果，以提高機具適用性。本文設計的仿形松土限深裝置如圖9所示，主要由調(diào)整手柄、吊架、仿形松土限深輪、螺桿、限位圈、支撐板、懸掛架和調(diào)整板等組成。

圖9 仿形松土限深裝置Fig.9 Copying device of soil loosening and depth limiting1.橫梁 2.調(diào)整手柄 3.吊架 4.懸掛架 5.支撐板 6.螺桿 7.限位圈 8.清土板 9.松土限深輪

仿形松土限深裝置安裝在收獲機前端的橫梁上，可方便調(diào)整行距，以提高收獲機對不同種植模式的適應性，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整手柄即可控制挖掘深度。松土限深輪(如圖10所示)由錐臺與圓柱體兩段組成，可實現(xiàn)仿壟形全方位的松土效果，即達到松離壟頂和壟側(cè)土壤目的。

圖10 松土限深輪改進前后的結(jié)構尺寸Fig.10 Structural dimensions of wheel for soil loosening and depth limiting before and after improvement

現(xiàn)有松土限深輪的錐臺與圓柱體兩段為焊接結(jié)構(如圖10a所示)，仿形效果較差，從而松土效果不夠理想。改進后采用圓角“平滑過渡”結(jié)構(如圖10b所示)，不僅降低了傷薯現(xiàn)象，并且可減輕對裸露于薯壟表面薯塊的受壓損傷。另外，由于北方風沙較大易吹去薯壟表面土壤，收獲季部分薯塊裸露于薯壟表面易產(chǎn)生“青頭”，并增大了薯壟尺寸。因此，松土限深輪的兩側(cè)“錐臺”之間形成的夾角由82°改為100°，是建立在種植農(nóng)藝條件下的壟形尺寸基礎上，既達到“仿壟形”松土限深的效果，同時又減少施加于薯壟兩側(cè)薯塊的作用力。

土壤含水率較高時，松土限深輪易壓實薯壟土壤，不利于薯土分離，一般施加于松土限深輪上的較佳載荷為2 940～5 580 N[28]。研究表明，松土限深輪的直徑影響著松土限深輪與薯壟之間的載荷大小及薯土松離效果，松土限深輪直徑越小，作業(yè)過程中越容易產(chǎn)生滑移和粘土現(xiàn)象，因此松土效果越差；反之，則松土效果越好。但是，直徑超過400 mm時機具空間布局受限，導致挖掘深度調(diào)整不便，同時還導致自身重量過大，改進后的松土限深輪直徑由320 mm增大至390 mm。由于松土限深輪直徑的增大，使得與薯壟表面的接觸區(qū)域變大，施加于薯壟內(nèi)部薯塊之間的壓力相對減小，在達到薯土松離目的的同時，可減輕薯塊的擠壓損傷。

2.3 平土壓實裝置設計與分析

圖11 平土壓實裝置結(jié)構簡圖Fig.11 Structure diagram of soil compacting and flatting device1.液壓缸 2.支撐臂 3.固定軸 4.鎮(zhèn)壓輪 5.平土板 6.張緊裝置 7.刮土板

結(jié)合馬鈴薯收獲現(xiàn)場調(diào)研及種植戶收獲需求，為避免分離后的薯塊落入松軟土壤或兩側(cè)壟溝而再次掩埋甚至損傷，按照“先平土、后壓實”的思路，設計的平土壓實裝置主要由鎮(zhèn)壓輪、液壓缸、張緊裝置、固定軸和刮土板等組成(如圖11所示)。該裝置由液壓缸控制升降，張緊裝置用于調(diào)整平土板的相對高度。當鎮(zhèn)壓輪壓著石塊等凸起物時，鎮(zhèn)壓輪由于抬高而通過支撐臂使得張緊裝置拉長，因此越過凸起物之后張緊裝置將使其迅速回位，并迫使鎮(zhèn)壓輪對地面始終保持設定的壓力，以保證為完成分離后的薯塊提供壓實整平的地表。對收獲后的松軟地表進行實時平土和鎮(zhèn)壓，在提高明薯率的同時還可提高撿拾效率。

增設平土壓實裝置前后作業(yè)效果對比如圖12所示，增設平土壓實裝置后，薯塊集薯鋪放于地表的分布區(qū)域相對減小，薯塊翻滾到輪胎壓實區(qū)域的概率大大降低，有利于收獲作業(yè)過程中的減損控制。實際作業(yè)前，可根據(jù)不同的收獲工況調(diào)整平土板高度，控制張緊裝置通過鎮(zhèn)壓輪施加于地面的作用力，以保證平土壓實效果。在初步試驗和結(jié)合薯農(nóng)需求的基礎上，平土板采用“V”形結(jié)構，2個平土板之間呈80°夾角，平土板高度為70 mm。

圖12 平土壓實效果對比Fig.12 Comparison of compacting and flatting performances

鎮(zhèn)壓輪施加在收獲作業(yè)后地表的載荷對壓實整平效果有著直接影響。由于收獲后地表比較松軟，鎮(zhèn)壓輪的下陷量可簡化為[29]

(8)

其中

K=α0(1+0.27B)

式中Hx——鎮(zhèn)壓輪的下陷量，m

Q——施加在鎮(zhèn)壓輪上的總載荷，N

K——土壤特性系數(shù)

α0——與土壤性質(zhì)有關的參數(shù)

B——鎮(zhèn)壓輪寬度，m

dd——鎮(zhèn)壓輪直徑，m

對于挖掘收獲后的松軟地表，土壤特性相關參數(shù)取為α0=1.01。鎮(zhèn)壓輪與地表接觸示意圖如圖13所示，鎮(zhèn)壓輪與地表的接觸面積為

Sj=BlO1O2=Bαjdd/2

(9)

其中

αj=arccos((dd-2Hx)/dd)

式中αj——接觸角，(°)

lO1O2——鎮(zhèn)壓輪與地面接觸弧長，cm

在上述計算分析的基礎上，從種植農(nóng)藝和薯農(nóng)的實際需求考慮，薯塊鋪放在較為分散的區(qū)域內(nèi)時有利于減損，因此在保證鋪放區(qū)域不進入兩側(cè)輪胎壓實區(qū)域的前提下，鎮(zhèn)壓輪應盡可能長一些，并與地輪之間留有合適的間隙，以確保鎮(zhèn)壓輪與地輪互不干涉。

圖13 鎮(zhèn)壓輪與地表接觸示意圖Fig.13 Schematic of contact between press wheel and soil

結(jié)合行距和壟寬確定鎮(zhèn)壓輪寬度為930 mm。鎮(zhèn)壓輪質(zhì)量相同時，其直徑越小，作業(yè)過程中越易產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，壓實效果越差；反之，則壓實效果越好[30-31]，因此鎮(zhèn)壓輪直徑取300～600 mm[32-33]，本文設計的鎮(zhèn)壓輪外徑取500 mm。

3 試驗設計與結(jié)果分析

3.1 種植農(nóng)藝

國內(nèi)北方地區(qū)馬鈴薯一般采用的機械化種植模式如圖14所示。2018年翻耕，于2019年3月上旬起壟，機械化種植，單壟單行，種植品種為希森3號，中耕培土覆壟后的壟形參數(shù)為：壟間距900 mm，壟周長900 mm，壟寬500 mm，壟頂寬度為400 mm、壟底寬度為700 mm、壟高250 mm，株距250 mm。

圖14 國內(nèi)北方地區(qū)馬鈴薯機械化種植模式Fig.14 Mechanized potato planting model in North China

3.2 試驗條件

田間試驗在山東省德州市樂陵市山東希成農(nóng)業(yè)機械科技有限公司試驗田進行，2019年3月上旬機械化播種作業(yè)，單壟單行種植。試驗前7 d機械化殺秧，以使薯皮充分木栓化，留取秧茬高度80～100 mm。測得薯壟土壤含水率9.67%～11.25%不等，土壤容重1.06 g/cm3。土壤0～15 cm和15～30 cm深度范圍內(nèi)的平均土壤緊實度分別為327.16 kPa和941.31 kPa。

試驗設備有約翰迪爾1204型拖拉機、自制的變頻調(diào)速驅(qū)動裝置、NP-501型電子天平、美國Teachmark公司生產(chǎn)的碰撞檢測裝置(IRD)、8203型鋼卷尺、米尺和PS-930型秒表。田間試驗現(xiàn)場如圖15所示。

圖15 樣機和田間收獲試驗Fig.15 Prototype photo and field harvest experiment

3.3 試驗方法

收獲機作業(yè)性能試驗分為臺架試驗和田間試驗兩部分，其中臺架試驗利用馬鈴薯碰撞檢測裝置(如圖16所示)，分析薯塊在收獲過程中所承受的機械沖擊特征，從碰撞檢測角度來揭示緩沖簾減損機理，分析緩沖簾的布置對低位鋪放減損效果的影響，明確薯塊碰撞特征與緩沖簾布置形式之間的關系。低位鋪放段土壤的透篩已基本完成，將檢測球置于低位鋪放段的起始位置采集碰撞信息，能夠反映正常收獲時該階段的碰撞特征。

圖16 馬鈴薯碰撞檢測裝置Fig.16 Potato impact recording device1.數(shù)據(jù)線 2.計算機 3.移動電源 4.通訊裝置 5.碰撞檢測球

將裝有緩沖墊的接料箱置于分離篩末端，依據(jù)試驗方案和試驗參數(shù)布置緩沖簾(如圖17所示)之后啟動分離篩；利用碰撞檢測球獲取薯塊在低位鋪放階段的碰撞特征，本文獲取的臨界碰撞加速度閾值為20g，每組試驗進行3次。首先將碰撞檢測球置于低位鋪放段的起始位置，使其在分離篩桿條帶動作用下跌落至緩沖墊上，采集低位鋪放段的碰撞加速度、速度變化值等碰撞特征信息；待碰撞檢測球從分離篩末端跌落后取出，將相關數(shù)據(jù)傳輸至計算機[10]。為盡可能保證采集的數(shù)據(jù)具有代表性，分別在二級支撐膠輪的正上方沿著分離篩寬度方向的左、中、右3個不同位置放置碰撞檢測球，即3次試驗條件下的碰撞檢測球初始位置均與緩沖簾間距一致。由于土壤的保護作用較弱，試驗過程中碰撞檢測球與桿條之間產(chǎn)生的碰撞沖擊較大，即碰撞加速度峰值較大，而每次碰撞產(chǎn)生的速度變化值則相差不大，故不把速度變化值作為主要影響因素進行分析。因為采集到的單次碰撞持續(xù)時間為毫秒級，碰撞持續(xù)時間極短，即較大的瞬時碰撞加速度發(fā)生在極短的時間內(nèi)[5]，故本文主要以碰撞加速度G來分析低位鋪放段的碰撞特征。

圖17 低位鋪放段緩沖簾布置方式Fig.17 Layout form of cushions at low position laying stage

樣機田間試驗選擇傷薯率、破皮率、明薯率及純作業(yè)時間生產(chǎn)率等作為性能評價指標，檢測方法及各項指標值參考NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機質(zhì)量評價技術規(guī)范》[34]規(guī)定進行計算。純作業(yè)時間指的是正常作業(yè)的時間，不包括地頭轉(zhuǎn)向、停機等時間。另外，檢驗低位鋪放雙重緩沖輸送分離裝置、松土限深裝置和平土壓實裝置的穩(wěn)定性、可靠性以及各裝置的協(xié)調(diào)配合性能。

3.4 結(jié)果分析

3.4.1臺架試驗結(jié)果與分析

分離篩運行速度和緩沖簾布置方式是影響薯土分離效率和低位鋪放效果的關鍵。實際收獲過程中，分離篩運行速度的選取要結(jié)合土壤類型、收獲速度和收獲后的馬鈴薯的用途等來進行匹配。以前期碰撞試驗為基礎，碰撞檢測球跌落至緩沖墊上的碰撞持續(xù)時間明顯長于與分離篩桿條碰撞接觸時，此時采集到的速度變化值也明顯大于與分離篩桿條碰撞接觸時，本文采集的碰撞特征不考慮檢測球與緩沖墊之間的跌落接觸。

3.4.1.1分離篩運行速度

通過變頻器設定馬鈴薯收獲機動力輸入軸的轉(zhuǎn)速分別為300、400、500、540 r/min，對應分離篩運行速度分別為1.18、1.57、1.96、2.12 m/s。并以前期初步試驗為基礎，將雙重緩沖簾分別布置在C和E兩個位置研究分離篩運行速度對低位鋪放碰撞特征的影響，其試驗結(jié)果如表2所示。觀察發(fā)現(xiàn)，分離篩運行速度較快時，薯塊易在分離篩桿條的帶動下產(chǎn)生“彈跳”現(xiàn)象，速度較慢時則僅產(chǎn)生“翻滾”，而“彈跳”和“翻滾”與采集到的碰撞加速度峰值關系密切。

由表2可見，對應于分離篩的4個運行速度，最大碰撞加速度的平均值依次為48.00g、60.22g、66.90g和73.72g，整體的平均碰撞加速度依次為33.51g、39.47g、44.74g和49.72g，故隨著分離篩運行速度增大，每組試驗產(chǎn)生的最大碰撞加速度、平

表2 分離篩運行速度對低位鋪放碰撞特征的影響Tab.2 Influence of running speed of separation screen on characteristics at low position laying stage

均碰撞加速度均呈增加趨勢，這是由于分離篩運行速度的增加，使得連續(xù)運轉(zhuǎn)的分離篩桿條施加在薯塊上的動能也隨之增大所致，因此分離篩運行速度對薯塊在分離篩上的碰撞特征有著顯著影響。另外，分離篩桿條表現(xiàn)為“剛性”材料特征，薯塊與桿條的剛性碰撞沖擊進一步加劇了分離篩運行速度對薯塊碰撞特征的影響程度。在低位鋪放段，自第1次碰撞至最后1次碰撞的用時基本維持在0.4～0.8 s范圍內(nèi)。分離篩運行速度較快時，低位鋪放段的輸送用時相對縮短，反之則相對較長。

由表2還可以看出，對應于分離篩的4個運行速度，平均碰撞次數(shù)依次為5.67、3.33、4.67、5.00次，累積碰撞加速度的平均值依次為188.33g、131.78g、209.42g和247.37g，即當分離篩運行速度為1.57 m/s時出現(xiàn)拐點，其碰撞次數(shù)和累積碰撞加速度均取得最小值，這是因為分離篩運行速度相對較低時，由于分離篩桿條的帶動作用薯塊經(jīng)緩沖簾Ⅰ的緩沖減速后在與緩沖簾Ⅱ接觸之前翻滾次數(shù)較多，即與桿條之間的接觸用時相對較長，薯塊與桿條的直接碰撞導致其碰撞次數(shù)和累積碰撞加速度均比較大；隨著分離篩運行速度的增大，薯塊經(jīng)緩沖簾Ⅰ的緩沖減速后，在較短時間內(nèi)薯塊與緩沖簾Ⅱ相接觸，其大部分能量被緩沖簾吸收，之后又緩慢運行在分離篩篩面上，因此其碰撞次數(shù)和累積碰撞加速度均較??；隨著分離篩運行速度的進一步增大，薯塊與緩沖簾Ⅱ碰撞接觸之后，由于緩沖簾的變形和能量吸收能力受到緩沖簾材質(zhì)等多因素的限制，仍有部分未被緩沖吸收的能量作用，使得薯塊被緩沖簾Ⅱ阻擋減速后再次在分離篩篩面上加速翻滾運行，從而使得碰撞次數(shù)和累積碰撞加速度均逐漸增大。進一步分析，當分離篩運行速度過大時，薯塊不僅被緩沖簾Ⅱ阻擋減速后再次加速翻滾愈加劇烈，甚至出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象，薯塊接觸到緩沖簾Ⅱ時，二者之間呈現(xiàn)一種短暫的“半包裹”狀態(tài)，導致后面的薯塊直接撞擊到前面尚未離開緩沖簾Ⅱ的薯塊上，即產(chǎn)生“薯-薯”碰撞現(xiàn)象，從而使得碰撞次數(shù)和累積碰撞加速度進一步加大。另外，由于橡膠齒驅(qū)動軸與桿條之間的“嚙合”類似于鏈傳動，即存在“正多邊形”效應，因此分離篩運行速度過大時，其“正多邊形”效應導致施加于桿條上的振動激勵明顯增大，薯塊再次跌落至桿條時的碰撞沖擊也愈加“劇烈”。

制作、安裝之后的分離篩桿條間距確定且相等、運行速度平穩(wěn)，即由于桿條施加于薯塊的振動激勵而產(chǎn)生碰撞加速度峰值相對集中；相反，薯塊自身翻滾產(chǎn)生碰撞接觸的隨機性較大。因此，隨著分離篩運行速度的增大，3次試驗采集的最大碰撞加速度之間的差值由17.27g逐漸減小至0.25g，其最大碰撞加速度的分散范圍逐漸趨于集中，這與上述分析的分離篩快速運行時，薯塊在低位鋪放段與桿條之間的碰撞沖擊以桿條的拋起為主相一致，即較大的碰撞加速度峰值來自于與桿條的碰撞沖擊而并非薯塊的自身翻滾作用。

3.4.1.2緩沖簾布置方式

緩沖簾布置方式?jīng)Q定著低位鋪放段薯塊的運動軌跡、翻滾形式以及減速減損效果。在前期試驗基礎上，設定分離篩運行速度為1.57 m/s，對比無緩沖簾、前置緩沖簾、后置緩沖簾和雙重緩沖簾4種條件下的碰撞特征，并將無緩沖簾時的試驗組記作N，得到單層和雙重緩沖對低位鋪放段碰撞特征的影響分別如圖18和圖19所示。

圖18 單層緩沖對低位鋪放碰撞特征的影響Fig.18 Effect of single cushion on characteristics at low position laying stage

圖19 雙重緩沖對低位鋪放碰撞特征的影響Fig.19 Effect of double cushions on characteristics at low position laying stage

由圖18可見，無緩沖簾時，由于薯塊存在翻滾加速過程，3次試驗采集到的最大碰撞加速度的平均值為69.28g，整體的平均碰撞加速度為41.91g，累積碰撞加速度的平均值為236.58g，均大于在各處布置單層緩沖簾時的值，這充分說明單層緩沖簾的布置在一定程度上有利于減小馬鈴薯收獲機低位鋪放段的最大碰撞加速度和平均碰撞加速度；無緩沖簾條件下的平均碰撞次數(shù)為5.66次，明顯多于在A、B、C和D位置布置單層緩沖簾時的碰撞次數(shù)，因此前置單層緩沖簾有利于降低碰撞次數(shù)。

單獨在A位置布置緩沖簾時的平均碰撞次數(shù)為5次，最大碰撞加速度的平均值為58.19g，累積碰撞加速度的平均值為195.50g，均大于單獨在B、C、D位置布置緩沖簾時的值，這是因為緩沖簾布置位置過于靠前，薯塊由于緩沖簾的緩沖降速后會再次加速，即出現(xiàn)“先減速后加速”現(xiàn)象，且薯塊減速后的加速行程較大，運行至分離篩的振動輸送分離段與低位鋪放輸送分離段交接處時，仍將產(chǎn)生彈跳現(xiàn)象。單獨在B位置布置緩沖簾時，其最大碰撞加速度和平均碰撞加速度大于單獨在C、D位置布置緩沖簾時的值，但平均碰撞次數(shù)和累積碰撞加速度均取得最小值，即出現(xiàn)拐點，這是因為厚度為3 mm的緩沖簾下邊緣可穿過分離篩上段的兩桿條之間，緩沖簾的柔性變形可使緩沖簾的下邊緣向后延伸，迫使薯塊貼附在分離篩篩面上以加速翻滾的形式為主，但薯塊越過分離篩上段的振動輸送分離段與低位鋪放輸送分離段交接處后，仍有部分薯塊彈跳后跌落在分離篩桿條上。單獨在C、D位置布置緩沖簾時的平均碰撞次數(shù)和累積碰撞加速度均大于單獨在B位置時的值，這是因為薯塊從分離篩上彈跳后雖然撞擊在緩沖簾上，但因為緩沖簾距離分離篩的振動輸送分離段與低位鋪放輸送分離段交接處較近，薯塊受到緩沖簾緩沖后，尚有較長的加速翻滾過程。

此外，單獨在E、F位置布置緩沖簾時，雖然最大碰撞加速度和平均碰撞加速度與緩沖簾前置時相差不太明顯，但其平均碰撞次數(shù)分別為6次和6.33次，明顯大于緩沖簾前置時的值，這是因為在E位置布置緩沖簾時，薯塊未經(jīng)前置緩沖減速作用加速翻滾撞擊在后置緩沖簾上之后，將再次在分離篩篩面上翻滾，從而使得累積碰撞加速度的平均值達到196.83g；緩沖簾布置在F處時，在該分離篩運行速度下的薯塊自越過振動輸送分離段與低位鋪放輸送分離段交接處至與緩沖簾接觸時的翻滾行程較長，多次翻滾連續(xù)加速后經(jīng)后置緩沖簾的緩沖減速向后輸送，雖然最大碰撞加速度和平均碰撞加速度的平均值小于無緩沖簾時的值，但其碰撞次數(shù)的增加導致累積碰撞加速度達到229.35g，這也是薯塊產(chǎn)生彈性和塑性變形的直接原因[35]。

綜上所述，從碰撞次數(shù)和累積碰撞加速度的平均值來看，單獨在A、E和F位置處布置緩沖簾與無緩沖簾相比，其緩沖減速、減緩翻滾的效果不明顯，這3種布置方式的緩沖減速、減緩疲勞累積效果較B、C和D位置處也不夠明顯，即單層緩沖簾布置位置過于靠前或過于靠后時其緩沖效果欠佳。

綜合分析圖18和圖19可以看出，8種布置方式的雙重緩沖條件下每次試驗采集到的最大碰撞加速度平均值、整體的平均碰撞加速度和累積碰撞加速度的平均值不僅小于無緩沖簾時的值，而且各種布置方式均小于單層緩沖時的值，這充分說明雙重緩沖簾有利于減緩機具在低位鋪放段的碰撞沖擊。緩沖簾Ⅱ布置在F處時的碰撞次數(shù)和累積碰撞加速度的平均值分別對應大于布置在E處時的值，這是因為在F位置布置緩沖簾Ⅱ時，前置的緩沖簾Ⅰ布置在4個位置的任一位置時，均可能導致薯塊彈跳后并未撞擊在緩沖簾Ⅱ上，而是直接跌落在分離篩桿條上。A-F組的測得數(shù)據(jù)與無緩沖簾時相差很小，這是由于兩緩沖簾的間距過大、未能發(fā)揮雙重緩沖的優(yōu)勢，即薯塊在兩緩沖簾之間的分離篩桿條上產(chǎn)生多次翻滾與碰撞接觸所致。

D-E組的平均碰撞次數(shù)為2.33次，3次試驗采集到的最大碰撞加速度的平均值為35.74g，整體的平均碰撞加速度為34.36g，累積碰撞加速度的平均值為80.93g，其緩沖減損效果明顯優(yōu)于其他雙重緩沖試驗組，即在該組布置方式時采集的相關碰撞特征數(shù)據(jù)出現(xiàn)拐點，這是因為薯塊越過振動輸送分離段與低位鋪放輸送分離段交接處彈跳后撞擊在緩沖簾Ⅰ上，其大部分能量被緩沖簾Ⅰ吸收，之后又緩慢回落至分離篩上，并沿低位鋪放輸送分離段向后下方滾落，但剛要加速滾落時，又再次受到緩沖簾Ⅱ的緩沖減速，即薯塊在整個低位鋪放輸送分離段的滾落速度均被控制在一定范圍內(nèi)。結(jié)合前期試驗分析，單次碰撞加速度較小的振動激勵尚不能造成薯塊傷薯或破皮，但是多次重復的振動激勵會降低馬鈴薯的收獲品質(zhì)，較大的累積碰撞加速度也易導致破皮率和傷薯率的升高[5]。該布置方式條件下的雙重緩沖簾相互配合，可有效避免薯塊在分離篩桿條上的彈跳和高速翻滾，減少了與剛性桿條的碰撞接觸次數(shù)，其最大碰撞加速度和累積碰撞加速度也呈現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢，因此可有效降低薯塊的變形量、應力集中和疲勞累積，并且因最大碰撞加速度較大而導致碰撞損傷和因疲勞累積而導致切線擦傷的概率也比較小[36]。所以，當分離篩運行速度為1.57 m/s時，D-E布置方式條件下的雙重緩沖既能滿足薯塊正常的輸送分離需求，又能獲得較為理想的緩沖減損效果。

3.4.2田間試驗結(jié)果與分析

為研究樣機在不同收獲速度條件下低位鋪放雙重緩沖段以及整個薯-土分離過程中的碰撞特征和收獲品質(zhì)之間的關系，在前期臺架試驗和初步田間試驗的基礎上，選取樣機收獲速度分別為vs1=0.88 m/s和vs2=1.16 m/s，并分別在D和E兩位置處布置緩沖簾。試驗表明：低位鋪放雙重緩沖輸送分離裝置、仿形松土限深裝置和平土壓實裝置的穩(wěn)定性良好，工作可靠，各裝置之間的協(xié)調(diào)配合減損性能較佳。田間測試結(jié)果如表3所示。

由表3可見，樣機的田間試驗結(jié)果均能滿足NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機質(zhì)量評價技術規(guī)范》的要求。收獲速度較大時，單位時間內(nèi)相對較多的薯土混合物被輸送至分離篩，土壤對馬鈴薯的保護行程相對延長，因此在土壤和雙重緩沖簾的共同保護作用下，機具的傷薯率和破皮率均小于收獲速度較低時。但是，部分土塊在低位鋪放雙重緩沖段尚未破碎分離，在一定程度上影響著明薯率的提高。反之，經(jīng)土壤分散分離及破碎分離后，薯土混合物尚未到達低位鋪放雙重緩沖段已基本完成薯土分離，低位鋪放段的緩沖減損基本不受土塊的干擾因素影響，因此明薯率相對較高。不過，盡管薯塊與緩沖簾的碰撞接觸能夠?qū)崿F(xiàn)減速和減損，但由于土壤對馬鈴薯的保護行程相對變短，土壤緩沖保護性能相對減弱，故傷薯率和破皮率相對較高。

表3 田間試驗測試結(jié)果Tab.3 Results of field experiments

綜上所述，低位鋪放雙重緩沖減損結(jié)構簡單，且具備較佳的緩沖減損效果。從采集得到的碰撞信息分析可知，與緩沖篩式低位鋪放減損形式相比，在相同作業(yè)速度條件下，由于改進后的樣機相當于減少了1次跌落過程，其低位鋪放雙重緩沖鋪放具有更好的緩沖減損效果[10]，因此能夠滿足更好的減損需求。而緩沖篩形式的低位鋪放更適宜于粘重土壤條件下的馬鈴薯收獲，即僅僅依靠振動難以實現(xiàn)較佳的土塊破碎分離和土壤脫附效果。

4 結(jié)論

(1)設計的低位鋪放雙重緩沖馬鈴薯收獲機采用“振動輸送分離+雙重緩沖減速+低位鋪放輸送分離” 的薯-土-雜分離形式，兼?zhèn)湔駝铀橥痢㈦p重緩沖、低位鋪放和平土壓實“定位”鋪放等綜合優(yōu)勢。

(2)在D-E位置雙重緩沖簾布置時，薯塊的碰撞加速度峰值、平均值和累積值分別為35.74g、34.36g和80.93g，具有良好的減輕跌落沖擊效果。

(3)田間試驗表明，在收獲速度為0.88、1.16 m/s時，純作業(yè)時間生產(chǎn)率分別為0.41、0.54 hm2/h，傷薯率分別為1.03%和0.84%，破皮率分別為1.52%和0.95%，各項性能指標均滿足相關標準的要求。